微纳器件的热特性表征技术.docx

微纳器件的热特性测量技术
摘要：本文将现有的微纳米尺度热特性测量技术分为接触式及非接触式两类分别进行了介绍。详细陈述了每种方法的原理、优缺点，并从时间分辨率、空间分辨率、温度分辨率对几种方法做了比较。

关键词：微纳米尺度；温度特性测量技术；接触式；非接触式
ThermalcharacterizationtechniquesforMEMSdevices
Abstract:Inthispaperwereviewvariousmicroscaleandnanoscalethermalcharacterizationtechniqueswhicharedividedintotwotypes,contactandnon-contact.Foreachtechnique,thephysicalprincipleispresented,andboththemeritsanddrawbacksarediscussedwithregardtotheaccuracyincludingtemporalresolution,spatialresolution,andtemperatureresolution.

Keywords:microscaleandnanoscale;thermalcharacterizationtechniques;contacttechniques;non-contacttechniques

0引言
随着半导体集成电路微细加工技术的成熟和机械超精密加工技术的开发，微米/纳米技术这一研究领域应运而生。然而，目前微米/纳米技术的发展，特别是微型传感、微机械和微机电系统技术的发展，要求人们提供实时检测的新方法、新手段。
热特性的测量作为微纳器件功能测试的一个方面，它可以为微纳器件的设计改进提供依据。由于微纳米材料的热特性与宏观尺度材料存在很大差距[1]，且宏观尺度下用于表征温度场分布的分析方法和测试手段在微纳米尺度下不再适用，因此微纳米尺度热特性测量已成为关键技术之一。
为了准确测量材料的温度、热流、热阻、热导率和热扩散率等热特性参数，已经发展了多种热特性测试方法和量热技术[2-3]。目前普遍采用光、电和力三种原理来实现对温度和热量的测量。常用的方法包括红外热像仪[4]、Raman光谱[5]、激光表面反射[6]、光热传感器[7]、光声法[8]、光电二极管[9]、近场光学温度测量[10]、扫描热显微镜[11]、荧光法[12]、热电偶[13]、电阻温度计[13]以及其他方法[14—16]。
本文将其中可用于微纳器件温度测量的技术按照工作时传感器是否与被测物体接触，分为接触式和非接触式。并详细介绍了每种方法的测量原理、优缺点。最后从温度分辨率、空间分辨率、时间分辨率上对各种方法做了一下对比。
1接触式测量技术
通过物理接触来测量器件的方法包括单点接触(热电偶和扫描探针)和多点接触(热色液晶)。这些都依靠于热交换。从要测温的器件到接触它的包含温度计的物体。空间分辨率由接触探针或者覆盖在器件上的材料决定。优势在于可以获得高的空间分辨率,可以达到100nm或者更小；同时也可以获得温度的二维图像。劣势在于被测温的器件必须是可以接触的，并且考虑到热探针的响应时间，可能会对器件的实时温度测定有滞后的现象。
1.1热色液晶
液晶是介于固体晶体和各向同性液体之间的一种各向异性的物质存在形态。它同时具有晶体和液体的某些特性。其外形类似流体，具有流动性和粘滞性。而分子结构又类似晶体，具有规则的分子排列，呈现光学各向异性。液晶依据其不同的分子结构可以分为近晶型、向列型和胆甾型，其中的胆甾型和向列型液晶具有热敏效应，即能够以色彩的变化反应温度的变化。液晶测温技术就是基于此原理发展起来的一种以不同颜色显示全场温度分布的测量技术。其测温范围在-20℃—120℃之间，测温带宽在0.5℃—30℃。
测量温度之前，要先对液晶进行标定（图1）。测温时，将液晶薄膜贴在被测物体上，或者将液晶墨水喷在器件上。用CCD摄取液晶颜色变化的图片，然后进行数据处理，就可以得到被测物的温度场。它的解析度可以达到1μm[17]，精确度可以达到0.1℃[18]。
此外，在此基础上，还发展出来一种测量流体温度场的技术[19]。它使用录像PIV技术，记录下来流场中分布的热色液晶颗粒的颜色来得到整个流体的温度场分布。
热色液晶测温的一个缺点是液晶涂层可能会对被测器件的温度产生影响。
图1热色液晶标定实验装置示意图
1.2扫描热显微镜
扫描热显微镜（图2）是在扫描探针显微镜的基础上发展起来的。它将原子力扫描显微镜的探针改造为温度敏感元件，通过传感器与样品之间的热交换来测量表面的温度和热物性分布。
图2扫描热显微镜装置示意图
热探针（图3）是扫描热显微镜的关键器件，有两种主要类型：热敏电阻型和热